高分子材料丨耐热性的代表有机硅树脂您了解吗？
2024-07-01
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有机硅树脂的发展历程起始于 19 世纪科学家对硅元素的初步探索，真正意义上的开发在 20 世纪初展开。当时，尽管对硅化合物的认知有限，但有机化学与无机化学的交融促使研究人员着手合成有机硅化合物。初期，其合成工艺复杂、成本高且性能有待改进，然而科研人员坚持不懈，持续优化合成路线与反应条件。
历经数十年，至 20 世纪中叶，有机硅树脂性能大幅提升，在航空航天、电子等特殊领域崭露头角，展现出耐高温、绝缘等优势。迈入 21 世纪，伴随材料科学的迅猛进步和新技术的层出不穷，有机硅树脂研发加速，合成方法愈发环保，通过分子设计和改性技术，其综合性能进一步提升，不仅在传统领域广泛应用，还拓展至新能源、生物医药等新兴领域，成为材料领域不可或缺的重要部分。
材料简介
有机硅树脂，这一具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷聚合物，拥有着复杂而精妙的成分结构。它通常是由甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基苯基二氯硅烷的各种混合物，在特定条件下经过一系列化学反应而生成。其结构中，有机基团与无机的硅-氧-硅主链相互交织，形成了一种既具备有机物特性，又融合了无机物功能的存在。
从性能方面来看，有机硅树脂展现出了令人瞩目的热氧化稳定性。在 250℃条件下加热 24 小时后，有机硅的失重仅为 2% - 8%，而相比之下，聚碳酸酯的失重高达 55.5%，聚苯乙烯为 65.6%，环氧树脂为 22.7%。当温度升高到 350℃并持续加热 24 小时，一般有机树脂的失重通常达到 70% - 99%，而有机硅树脂的失重却低于 20%。这意味着它能够在 200 - 250℃下长期稳定使用而不分解或变色，短时间内甚至可耐受高达 300℃的高温。若与耐热颜填料相配合，其所制成的涂料能够承受更高的温度。
有机硅树脂在介电性能方面也表现出色。其电击穿强度通常可达 50 千伏/毫米，体积电阻率为 10^13 - 10^15 欧姆·厘米，介电常数约为 3，介电损耗角正切值在 10^-30 左右。这种出色的介电性能使其在宽的温度和频率范围内，都能始终保持良好的绝缘性能，成为电气和电子领域中理想的绝缘材料。低表面张力是有机硅树脂的又一显著特性。由于聚硅氧烷的内聚能密度低，分子间作用力小，且分子处于高的柔顺态，这使得有机硅树脂的表面张力明显低于其他材料。同时，硅氧烷的溶解度参数与大多数化合物和材料差异显著，导致其相容性差，不易与其他物质相混，从而赋予了有机硅树脂优良的防粘性。在耐候性方面，有机硅树脂同样出类拔萃。一方面，硅树脂中稳定的 Si - O 键难以产生由紫外线引起的自由基反应，也不易发生氧化反应；另一方面，硅树脂对太阳光不敏感，太阳光对其影响极小。因此，有机硅树脂在长期暴露于户外环境时，仍能保持良好的性能和外观。
有机硅树脂并非十全十美。尽管它具有出色的憎水性，吸水率低，但对水蒸气特别是高压蒸汽的抵抗力相对较差。此外，在耐溶剂性能方面，有机硅树脂也存在一定的局限性。有机硅树脂的性能还受到多种因素的影响。其中，分子组成中有机基团与硅的比值（R/Si）起着关键作用。一般来说，有实用价值的硅树脂，其 R/Si 的比值在 1.2 - 1.6 之间。当 R/Si 的值较小时，所得的硅树脂能在较低温度下固化；反之，R/Si 的值较大时，硅树脂的固化则需要在 200 - 250℃的高温下长时间烘烤。此外，有机基团中苯基的含量也会对硅树脂的性能产生重要影响。苯基含量越低，生成的漆膜越软，缩合越快；苯基含量越高，生成的漆膜越硬，越具有热塑性。当苯基含量在 20% - 60%之间时，漆膜的抗弯曲性和耐热性往往能达到状态。在应用领域，有机硅树脂可谓是“全能选手”。它可以被制作成耐 180°C 的电动机绝缘材料，如玻璃漆布、玻璃布层压板、云母带、浸渍漆、磁漆等。通过添加铝粉，还能配制成长期使用耐 500°C、瞬时使用耐 1000°C 的高温涂料，用于涂装喷气发动机尾喷管、金属烟囱等高温部件。以玻璃纤维或石棉补强制成的模塑料，可用作制造耐强电流、高电压的耐电弧开关的材料。而以甲基三烷氧基硅烷制得的有机硅树脂（俗称有机硅玻璃树脂），能够处理纸、塑料、金属表面，使其具有良好的亮度和耐磨性。此外，经过改性后的有机硅树脂，如用醇酸树脂改性后，可用作耐候性良好的室外用涂料，广泛应用于建筑、汽车等领域。
总结
有机硅树脂的发展潜力不可限量。随着科技的不断进步和应用需求的日益多样化，有机硅树脂的研究和创新将持续深化。在研发方向上，进一步提升其综合性能，尤其是在耐高温、耐高压蒸汽、耐溶剂等方面的改进，将是攻克的难题。
